N型層狀結(jié)構(gòu)In4Se3熱電材料的性能研究.pdf

1、21世紀(jì)隨著全球能源需求與日俱增以及當(dāng)前自然環(huán)境問題日益嚴(yán)峻，各國政府都在積極尋找新的清潔能源和研究能源轉(zhuǎn)換技術(shù)。其中，熱電技術(shù)是一項(xiàng)利用Peltier效應(yīng)和Seebeck效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)熱能與電能相互轉(zhuǎn)化的能源轉(zhuǎn)換技術(shù)[1]，熱電器件可靠性高、尺寸小、無污染、無噪音、無需傳動(dòng)部件等優(yōu)點(diǎn)，成為了全世界引人注目的研究領(lǐng)域。而熱電轉(zhuǎn)換技術(shù)的核心在于探索出具有高熱電優(yōu)值的熱電材料。其中，In4Se3化合物是一種比較有潛力的新型低維熱電材料[2]，由

2、于其特有的層狀結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，導(dǎo)致極低的熱導(dǎo)率。這使得可以通過調(diào)控電學(xué)性能獲得較高的熱電優(yōu)值ZT。據(jù)2011年韓國Jong-Soo Rhyee等人的相關(guān)研究，通過提高載流子濃度和遷移率，In4Se3-xClx單晶在698 K時(shí)b-c方向上的ZT值已經(jīng)到到了1.53[3]。然而，單晶的合成工藝復(fù)雜而且成本較高，熱電性能又有明顯的各向異性[4]，并且容易沿層間會發(fā)生解離現(xiàn)象，導(dǎo)致機(jī)械性能較差，因此不利于今后的工業(yè)化應(yīng)用。2013年，吳立明等人通過

3、Pb/Sn元素雙摻雜獲得了高性能的多晶材料In4PbxSnySe3,熱電優(yōu)值ZT在733 K時(shí)達(dá)到1.4[5]。因此，展開In4Se3體系多晶熱電性能的深入探究很有意義。然而，表征熱電性能的關(guān)鍵參數(shù)電導(dǎo)率σ、熱導(dǎo)率κ、功率因子PF之間具有很強(qiáng)的耦合性[6]，這不利于熱電優(yōu)值ZT的優(yōu)化，因此通過去耦合實(shí)現(xiàn)熱電參數(shù)的獨(dú)立調(diào)控是提高熱電優(yōu)值ZT的有效方法。
　　本研究采用了傳統(tǒng)的固相合成方法[7]對In4Se3母體進(jìn)行單摻雜和雙摻雜替換

4、，結(jié)合放電等離子燒結(jié)（SPS）工藝制備出多晶塊體材料[8]，通過熱輸運(yùn)、電輸運(yùn)性能測試，以及XRD、掃描電鏡（SEM）、透射電鏡（TEM）圖像分析,結(jié)合能帶、態(tài)密度理論計(jì)算等多種檢測分析手段，研究了不同摻雜元素對In4Se3體系熱電性能的影響，初步實(shí)現(xiàn)了熱電參數(shù)的相對獨(dú)立調(diào)控及熱電優(yōu)值ZT的提高。主要工作如下：
　?、俨捎霉滔喾磻?yīng)方法結(jié)合放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)成功制備了In4Se3母體塊體材料，XRD圖譜分析表明所得的樣品為

5、純相材料，通過能帶、態(tài)密度理論計(jì)算研究了能帶結(jié)構(gòu)特點(diǎn)并表明了其帶隙為0.4ev左右的窄帶系半導(dǎo)體。掃描電鏡（SEM）的微觀結(jié)構(gòu)表征證明其是層狀結(jié)構(gòu)。熱電輸運(yùn)測試證明其是N型半導(dǎo)體材料，具有低熱導(dǎo)特性，在720 K時(shí)ZT值達(dá)到0.65，表明層狀結(jié)構(gòu)的In4Se3材料在中溫區(qū)有著潛在的研究意義和應(yīng)用價(jià)值。
　?、谠贗n4Se3的陽離子位摻入稀土元素Ce，同樣采用固相反應(yīng)與放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)成功合成了In4-xCexSe3(x

6、=0,0.03,0.06,0.1)。通過熱電性能的測試，固溶體材料的熱導(dǎo)率大幅度降低，同時(shí)Seebeck系數(shù)與電導(dǎo)率基本未發(fā)生變化，實(shí)現(xiàn)了熱電參數(shù)的獨(dú)立調(diào)控，為后續(xù)實(shí)現(xiàn)獨(dú)立調(diào)控電學(xué)性能的實(shí)驗(yàn)研究奠定了基礎(chǔ)。
　?、墼贗n4-xCexSe3的基礎(chǔ)之上，摻入定量的Pb元素，通過固相反應(yīng)與放電等離子燒結(jié)（SPS）技術(shù)成功合成了In4-xCexPb0.01Se3(x=0.03，0.06,0.08,0.1)。通過測試熱電性能參數(shù)，在Ce和P